便攜式野外特種訓練環境監測系統設計

梅竹松，嚴榮國，魏高峰，任東彥，閆士舉

（1.上海理工大學健康科學與工程學院，上海 200093；2.海軍軍醫大學 海軍醫學系，上海 200433）

為適應現代野外特種作業及日常訓練的需要，很多國家在便攜式環境監測保障裝備研制方面投入了很多精力。我國在特種作業信息化的過程中采用了許多高科技手段，如電子信息、計算機技術、遙測等技術，使野外特種作業環境監測工作[1]進一步的客觀定量化和自動化。

野外特種作業訓練的特點是訓練強度大、訓練頻率高、訓練場地多變。環境監測保障工作[1]要求必須在野外特種作業訓練準備過程中及時、準確地將環境要素數據提供給作業及訓練人員，為訓練安排以及野外特種作業訓練效率提供數據依據和技術參數。現有的環境監測設備[2]在便攜程度、可監測環境參數以及人機交互軟件方面都存在欠缺。并且隨著野外特種作業訓練對環境指標的要求逐漸提高，研制一款高性能的便攜式環境檢測系統顯得尤為迫切。

針對以上問題文中設計了一款基于多功能傳感器的便攜式環境監測系統[3]，該監測系統基于便攜、工作時間長、多環境參數采集以及軟件多功能的設計理念，實現了實時監測各個環境數據、數據可視化、超限報警、對比歷史值儲存數據等功能，將環境的監測工作變得更加簡單化，極大程度上提高了監測人員的工作效率，并且更為貼合便攜式的設計理念，可用于特種作業野外訓練，對訓練場地進行快速、準確、系統的監測，通過對溫度、濕度、風速、風向、噪聲的監測，保障了野外特種作業及訓練的質量，對PM2.5、PM10、PM100 的實時快速檢測也保證了野外特種作業人員的健康安全。

1 環境監測系統的硬件設計

環境監測系統硬件部分[4]的組成主要包括環境傳感器、數據采集儀、工控一體機。環境監測系統工作流程如圖1 所示，傳感器檢測所在環境的各環境指標有溫度、濕度、風速等，數據采集儀采集各個傳感器檢測的數據，通過串口通信將數據傳輸到工控一體機，工控一體機上的軟件對數據進行處理后以直觀的線形圖顯示，并對數據進行保存等處理。

圖1 環境監測系統工作流程

1.1 環境監測傳感器

環境監測傳感器[5]是環境監測質量的關鍵所在，系統從單個傳感器為出發點進行研究分析，整合多功能傳感器，從器材、體積、價格等方面進行對比，最終設計了如圖2 所示的便攜式環境檢測系統，該儀器總重量不大于5 kg，在安裝方面操作簡單，使用時將三角支撐架打開，并將多功能環境傳感器固定于三腳架上方即可使用，符合便攜式的設計理念，該儀器可同時檢測環境空氣中的溫度、濕度、風速、PM2.5、PM10、PM100、CO2、風向以及噪聲。

圖2 便攜式環境監測系統

溫度傳感器[6]是能感受溫度并將溫度轉換成可用輸出信號的傳感器。該系統采用NTC 溫度傳感器[7]，隨著溫度的升高電阻會呈指數減小，具有負溫度系數，溫度傳感器原理圖如圖3 所示，通過ADC 測出當前電壓值，然后計算得到NTC 電阻值。

圖3 溫度傳感器原理圖

溫度計算公式如下：

式中，數字5 為輸入電壓5 V，VADC為電壓值，RNTC為NTC 溫度傳感器的阻值，R5為已知電阻，T和T0指的是K 度即開爾文溫度，K 度=273.15（絕對溫度）+攝氏度。Rt、R分別為溫度T、T0時的電阻值，B為材料常數，該參數一般在產品規格表中都會給出。

該系統測量濕度時采用電容式濕度傳感器[8]，當環境濕度發生變化時，濕敏電阻的介電常數發生改變，使其電容量也發生變化，環境濕度與電容變化量成正比[9]，故想要得到濕度值，主要是測量其電容值。等效電路為一個電容與電阻的并聯，如圖4所示。

圖4 濕度傳感器等效電路

通過推導計算，便可得到電容值，計算公式如下：

式 中，XC為容抗，Vin為輸入電壓，Vout為輸出電壓，Rf、R為固定電阻，ω為角頻率，C為電容值。

系統采用機械式風速傳感器[10]，空氣流動產生的風力會推動風速傳感器轉動，中軸帶動傳感器內部感應元件產生脈沖信號，在風速測量范圍內，風速與脈沖頻率成一定的線性關系[20]。機械式風速傳感器如圖5(a)所示。

脈沖數和風速值計算公式如下：

式中，d為脈沖間寬度，K為每秒脈沖數，B為一個脈沖對應的風速，W為風速值。

該系統采用了電阻式風向傳感器的結構，將產生電阻最大和最小值時風向變化分別標成360°和0°，當風向標轉動時，阻值也隨其發生變化，從而產生電壓變化，通過計算便可得到風向。風向傳感器如圖5(b)所示。

圖5 風速、風向傳感器

隨著人民生活質量的提高，對空氣質量的關注度日益增長，PM2.5 等顆粒物濃度已成為人們衡量空氣質量的標桿。系統采用紅外顆粒物傳感器[12]，空氣通過光線時，其中的顆粒物會對光產生散射，從而造成光強的衰減。其相對衰減率與顆粒物的濃度呈現一定比例[13]。PM 傳感器原理圖如圖6 所示。

如圖6 所示，光電探測器探測到顆粒物反射的光線，并根據光強度輸出信號，從而判斷懸浮顆粒的濃度，對于不同直徑的顆粒物，通過輸出不同的信號進行區分。

圖6 PM傳感器原理圖

系統采用紅外吸收性CO2氣體傳感器[14]，其原理基于不同氣體因分子化學結構不同，對紅外光的吸收程度不同且存在差異，同一物質在不同濃度時，對同一波長的紅外光的吸收強度也是不同的，吸收強度和濃度成正比關系。

根據朗伯-比爾定律[15]，可以推導得到以下公式：

式中，am為摩爾分子吸收系數，c為待測氣體濃度，L為光和氣體的作用長度，I0為輸入光發光強度，I為輸出光發光強度。通過檢測相關數據可以得到CO2濃度值。

噪聲傳感器[16]基于電容式駐極體話筒中薄膜收到聲波刺激而產生的振動，導致電容產生變化，產生微小的對應電壓變化，實現光信號到電信號的變換。

駐極體薄膜上分布有自由電荷[17]，聲波會引起駐極體薄膜振動，從而產生位移，電容兩極板之間的距離則發生改變，引起電容值發生變化，駐極體上的電荷數Q始終保持恒定，公式如下：

根據式（5）可知，當C變化時必然會引起電容兩端電壓U發生變化，從而輸出電信號，實現聲音信號到電信號的變換。

1.2 數據采集儀

數據采集儀由MCU、串口模塊組成。多功能環境傳感器將信號傳輸給MCU，MCU 對數據進行計算處理，得到各個環境數值，通過串口模塊將數據傳輸給上位機，除此之外數據采集儀也可對每個通道傳輸數據進行修改。

該數據采集儀可持續待機24 h 以上，充電只需2 h，符合便攜式環境監測的工作需求。在上位機傳輸端支持RS-232、RS-485 通信總線，波特率最高可達19 200 b∕s，對上位機的選擇提供了極大的便利。

1.3 工控一體機

為了使環境監測軟件系統功能多樣化，并且符合便攜式環境監測系統設備的設計理念，系統采用工控一體機，其基本滿足系統工作需求，功耗低、可持續工作時間較長、具備基本通信接口、可單點或多點觸摸、防塵防水、耐高低溫、價格相對較低。經測試，系統工作穩定、觸摸屏操作流暢、串口讀寫正常，具有一定的可靠性。

2 軟件設計

環境監測系統軟件部分采用QT 進行設計，主要分為3 個界面,能實時顯示數據及繪圖（含各功能按鈕），顯示歷史數據，設置限值參數。該系統包含的數據有溫度、濕度、風速、PM2.5、PM10、PM100、CO2、風向以及噪聲。整體程序設計框架如圖7 所示。

圖7 整體程序設計框圖

2.1 數據庫

為更直觀的收集和調取數據，系統采用SQL 作為數據庫，對SQL 的操作可分為3 步：訪問、讀取和寫入。

選用SQL 作為數據庫，通過創建唯一性索引可以保證數據庫中每一行數據的唯一性，通過創建索引可以大大加快數據的檢索速度，通過使用索引可以在查詢的過程中提高系統的性能，也可以顯著減少查詢中分組和排序的時間。

因此，選用SQL 作為數據庫極大地提高了軟件系統的工作效率。

2.2 串口通信

在Qt 中使用了QSerialPort 模塊提供的兩個類：QSerialPort類和QSerialPortInfo 類，QSerialPort類提供了對串口的操作，QSerialPortInfo 類提供了對串口信息的獲取。Qt 采用信號槽的方式，并運用定時器，使系統軟件更加具有可靠性。

為方便各個環境數據的讀取，將環境數據都設置為四位十六進制數字讀入串口，各個數據單位以及分辨率環境數據如表1 所示。

表1 環境數據

該系統設計中采用RS232 標準接口進行串口通信，其穩定性適用于便攜式環境監測系統。

2.3 主界面設計

主界面相比其他環境監測系統功能更加完善，人機交互性也大大提高，其主要分為五大功能：環境數據的繪圖、環境數據數值的可視化顯示、各數據超標后的繪圖、拖動線功能以及切換到次界面的按鈕功能。

用QPainter 在類對象的paintEvent()函數中繪制主界面的所有控件。其中，將讀入數據以折線圖、進度條和實時數值的方式顯示，超出設定限值部分用紅線標記，并添加拖動線功能，拖動線可用手觸摸屏幕拖動，拖動至指定位置則在進度條中顯示指定數據。拖動線功能基于Qt 中的鼠標觸發事件進行編寫。最終通過Qt編程實現了以下功能：

1）打開：打開界面則系統會自動開始進行一分鐘循環的數據讀取以及繪圖功能，橫坐標為時間（0～24 點），每一格由60 點（60 min）組成，其縱坐標為各個指標對應的數值，單位各不相同。

2）進度條顯示數值：串口有數據傳輸則進行顯示，沒有數據傳輸時可跟隨拖動藍線顯示對應點數值。

3）限值（紅線）：超出限值部分會用紅線進行標記，并進行語音報警兩次，如“PM2.5 超標”，其限值會給定初始值。

4）顯示歷史：點擊按鈕則可以進入顯示歷史界面，主界面不會關閉。

5）設置：點擊設置進入設置界面，可以進行限值大小的設定，主界面不會關閉，紅線會隨設定限值大小進行變化。

6）關閉：關閉程序，存儲程序運行階段所采集到的環境數據。

2.4 顯示歷史界面設計

顯示歷史界面基于SQL 數據庫進行設計，查詢數據的效率以及數據準確性非常可觀。開始運行時，會進行對數據庫的訪問以及讀取操作，并通過繪圖函數，在開始時顯示今天的數據以及昨天的數據對比，若數據庫中沒有今天和昨天的數據將不會進行繪圖。

選擇指定時間段進行對比，則需要將對比框內容定位到數據庫對應位置，并將所需時間段的數據存儲到數組，供繪圖函數調用。最終通過Qt 編程實現了以下功能：

1）打開：在該界面打開時會進行今天環境數據與昨天環境數據對比，若沒有數據則不進行對比。

2）對比：選定需要的兩個時間段，然后點擊對比按鈕，則出現對比圖。

3）返回：返回主界面。

2.5 設置界面設計

設置界面主要實現各個指標的限值設定，一定程度上方便了監測人員對監測需求的把控。為了減輕監測人員的工作難度，添加了對數值進行加1 以及減1 的功能，同時也可以直接在文本框中進行數值修改、參數傳遞，當測定環境數據超出限值時，會觸發語音報警功能，為了使報警功能更為直觀，引入了QSound 類，運用代碼播放音頻，如“PM2.5 超標”。實現了以下功能：

1）文本框：可直接進行數值修改。

2）上∕下按鈕：數值加1 或減1。

3）確認：確認修改數值，并返回主界面，主界面限值隨之變化。

最終人機交互界面圖如圖8 所示，從上到下依次是：主界面圖、歷史界面圖、設置界面圖。

圖8 界面圖

3 結果

將程序打包至一體機并完成設定，至此設計的便攜式環境監測系統搭建完成，并開機運行，進行實地測量，連續測量時間為一天，其部分實驗結果如表2 所示。

通過表2 的實驗結果可以得知，便攜式環境監測系統可以達到分鐘級的監測頻率，并且監測數據穩定，同時也驗證了該系統的實時性和穩定性，但單用一臺環境監測系統的數據無法驗證該系統的可靠性，因此，采用現有的另一臺大型標準化的環境監測系統與該監測系統對同一環境進行實時監測，引入了絕對誤差參數進行判定，其計算公式如下所示：

表2 監測環境數據結果

式中，x為該環境監測系統測量值，T為標準大型化的環境監測系統測量值，Ea為絕對誤差，其實驗結果如圖9 所示。

圖9 中縱軸為該環境監測系統與另一臺標準化的大型環境監測系統測量值的誤差，橫軸從左到右依次為，溫度、濕度、風速、PM2.5、PM10、CO2、風向、噪聲、PM100。由圖中可以看到該系統的溫度、濕度以及風速絕對誤差均小于0.5，CO2、風向以及噪聲絕對誤差均小于9，PM 測量值的絕對誤差不超過5，驗證了該系統的可靠性，最后引入相對誤差可靠性進行衡量，計算公式如下：

圖9 絕對誤差指數

式中，Er為相對誤差，經計算，所有環境參數的相對誤差均不超過1.13%,說明系統具有較高的可靠性。

4 結論

便攜式環境監測系統對復雜環境實地監測、記錄環境數據尤為重要，野外特種作業及其在日常訓練中對便攜式環境監測系統的需求以及依賴性越來越高，對其可靠性、便攜性的要求也頗為嚴格，針對這些需求，文中進行了基于多功能傳感器的環境監測系統的設計。通過對各個傳感器的原理以及算法進行研究分析，下位機的電路設計以及上位機的人機交互界面設計，達到了系統的實時性、穩定性以及可靠性要求，并且在上位機中實現的數據可視化、超限警示、歷史查詢與對比、數據儲存、設置等功能在很大程度上方便了環境監測人員的監測工作。該系統設計具有一定的實現性和創新性。

在最后的實驗測試環節，也得到了穩定、實時的環境數據，并經過計算可知，其相對誤差均不大于1.13%，驗證了該系統的可靠性以及可行性。該系統的設計方法對便攜式環境監測系統設計的進一步完善和廣泛應用有較好的指導和參考意義。